一种有源配电网分布式光伏消纳能力评估方法_仲泽天.pdf

第39卷 第2期2023年2月电网与清洁能源Power System and Clean EnergyVol.39No.2Feb.2023清洁能源Clean Energy基金项目：国家自然科学基金项目（51607093）。Project Supported by the National Natural Science Foundation ofChina（51607093）.ABSTRACT：Thedistributedphotovoltaicpowersupply（DPV）is both intermittent and fluctuant.due to changes ofsunlight.When it is connected to the active distributionnetwork，it brings a series of adverse effects to the stableoperation of the distribution network，therefore，it is veryimportant to study the photovoltaic capacity of the activedistribution network for the safe operation of the activedistribution network.In this paper，the influence of distributedphotovoltaic power on the voltage deviation of active distributionnetwork and system loss is studied.The two objective functionsset are the maximum access power of distributed photovoltaicpower and the system loss respectively，taking the voltagedeviation as the constraint condition，a distributed photovoltaic（DPV）absorptive capability evaluation model for IEEE 33 busis established to evaluate the PV absorptive capability of activedistribution networks.According to the evaluation results，adynamic adaptive particle swarm optimization（Dapso）algorithmis proposed to solve the active distribution network，and thecorrectness of the model and the effectiveness of the algorithmare verified，the error is small.KEY WORDS：distributed photovoltaic power supply；activedistributionnetwork；photovoltaicconsumptioncapacity；dynamic adaptive particle swarm optimization摘要：受太阳光照变化的影响，分布式光伏电源存在间歇性和波动性的问题，其接入有源配电网后给配电网稳定运行带来了一系列不利影响，因此研究有源配电网的光伏消纳能力问题对维持有源配电网安全运行至关重要。通过对分布式光伏电源接入电网对有源配电网电压偏差和系统网损的影响进行研究，设置的 2 个目标函数分别是分布式光伏电源接入功率最大量和系统网损，以电压偏差作为约束条件，建立关于 IEEE33 节点的有源配电网分布式光伏消纳能力评估模型，用于评估有源配电网的光伏消纳能力。根据评估结果，提出动态自适应粒子群算法，对有源配电网进行求解，并且与传统的粒子群算法进行比较，结果表明，该算法求解结果更加精确，误差较小。关键词：分布式光伏电源；有源配电网；光伏消纳能力；动态自适应粒子群随着全球变暖日益严重和化石燃料日益短缺，太阳能清洁、持续可再生的优势便体现了出来，其普遍受到世界各国的重视。目前，我国已出台许多相关政策来促进光伏产业的发展1-3。但太阳能受地球自转和天气等影响，导致分布式光伏电源出现不确定性和间歇性问题，其接入给低压配电网的电压控制、继电保护、电能质量及可靠性等带来很多不利影响4-6，限制了其大量并网和消纳，导致弃光现象严重。因此，有关低压配电网的光伏消纳能力的评估和提升，成为未来电力系统研究的重要内容。对于分布式光伏电源并网所产生的不利影响，目前，国内外的专家学者已在有源配电网分布式光伏消纳能力评估方面做出了许多相应研究。针对有源配电网光伏消纳问题，文献7利用逆变器能够调节无功与储能能够调节有功的特性，让二者相协调，利用有功无功协调控制对低压配电网网络电压进行有效调节。文献8提出一种基于配电网动态重构的新型分布式光伏消纳策略对含光伏并网的配电网中光伏的消纳率进行有效提升。文献9针对光伏文章编号：1674-3814（2023）02-0060-09中图分类号：TM72文献标志码：A一种有源配电网分布式光伏消纳能力评估方法仲泽天，李梦月，王加澍，张健，马刚（南京师范大学电气与自动化工程学院，江苏 南京210042）An Assessment Method for Distributed Photovoltaic Absorption Capacity ofActive Distribution NetworksZHONG Zetian，LI Mengyue，WANG Jiashu，ZHANG Jian，MA Gang（School of Electrical and Automation Engineering，Nanjing Normal University，Nanjing 210042，Jiangsu，China）第39卷第2期电网与清洁能源清洁能源Clean Energy扶贫地区分布式光伏并网引发的电压偏差、设备和线路过载等问题，在分析光伏消纳能力的基础上提出基于二分法的光伏消纳能力评估方法。文献10为了发挥分布式光伏发电系统给有源配电网带来的积极影响，在不影响分布式光伏发电系统有功输出的同时，利用其无功输出可控性参与配电网网损的优化来达到降低网络损耗的目的。上述文献对分布式光伏入网后有源配电网的光伏消纳能力评估进行充分的研究，但是未能对其接入后对有源配电网光伏消纳能力造成影响的规律进行研究，且缺少相应的算法进行分布式光伏消纳能力的优化。因此，本文建立关于有源配电网的分布式光伏消纳能力评估模型，以电压偏差作为约束条件，分析分布式光伏接入功率与电压偏差以及系统网损等指标的对应关系。在此基础上，提出动态自适应粒子群算法来对光伏消纳能力和系统网损进行进一步优化，对有源配电网进行求解，计算出配电网能够接入的最大光伏功率和其对应的最小网损，对所建模型的正确性和算法的有效性进行验证。仿真结果表明，采用动态自适应粒子群算法后，光伏最大接入量显著提升，此时对应的系统网损也有所减小。1分布式光伏电源出力受气候条件的影响，分布式光伏电源的出力与光照强度关联密切，而光照强度本身存在着不确定性和间歇性，因此，随着一天时间内光照强度的改变，分布式光伏电源的输出功率也随之改变，具有随机性和波动性11-12。如图 1 所示是内蒙古某地区典型的平均光照强度与太阳辐射强度之间的关系。一天中中午光照最强，此时太阳辐射强度最高。清晨和傍晚光照较弱，此时太阳辐射强度较低。此外，太阳辐射强度还受季节差异影响，一般而言夏季太阳辐射强度较大；冬季太阳辐射强度较小。一般光伏阵列接收的光照强度a决定分布式光伏电源输出功率的大小，其输出功率表示为Pm=am=1MAmm（1）式中：M 为光伏组件数；Am，m分别为这些光组件中第 m 个组件的面积和发电效率。根据所查阅的资料13得出，用 Beta 分布的概率密度曲线表示一天日照的光照强度，分布式光伏电源输出功率Pm的概率密度函数为f()Pm=()+()()|PmPM-1|1-PmPM-1（2）式中：PM是分布式光伏电源最大输出功率；，分别是 Beta 分布概率密度函数的 2 个参数，根据统计一天时间段内光照强度平均值和光照强度的方差来计算这 2 个参数，其表达式为=|()1-2-1（3）=()1-|()1-2-1（4）为了描述光伏出力的不确定性，可将光伏输出功率 PS表示为式（5）所示含机会约束的区间变量。Pl=()PdSPSPuS=PdSPuSf()PSdPS=1-（5）式中：1-表示置信区间；PSu和 PSd分别作为置信区间上、下限；Pl为概率。因此，在确定 f（PS）后，置信水平 1-下的光伏出力不确定集合即可确定。由于通过光伏机组中电容器的自动投切可使功率因数保持在一定的范围之内12，因此若有功功率确定，则其无功功率也就可以确定。若无功功率因数为tan，此时无功功率的标幺值QS为QS=PS/tan（6）2分布式光伏电源接入对有源配电网的影响由于分布式光伏电源本身存在着不确定性和间歇性，其接入有源配电网后给配电网的安全稳定运行造成一定的影响。有源配电网在其大量接入后，会给配电网带来一定的电压偏差和相应的系统网损，会不可避免地给电力系统安全运行和经济性图1内蒙古某地平均光照强度Fig.1Average illumination intensity of a certain place inInner Mongolia61清洁能源Clean Energy带来很多负面影响。2.1有源配电网电压偏差理论分析根据文献14-15，我国大部分地区的有源配电网是开环运行的，采用的大多是闭环设计。因此对能够正常运行的有源配电网均可将其视为单电源辐射性网络。馈线的导纳可以忽略不计，采用三相对称恒功率负载模型。在光伏电源并网系统中，在调峰、调频和光伏电源出力大于消纳能力以及线路重载等相关情况下，系统调度需要光伏电源在一定时间内、在定功率输出模式下运行，因此分布式光伏电源通常在定功率控制模式进行工作16。本文采取具有恒功率因数的 PQ 节点的分布式光伏电源进行分析，如图 2 所示。图2分布式光伏电源接入低压配电网示意图Fig.2Schematic diagram of distributed photovoltaicpower supply connected to low-voltage distributionnetwork在如图 2 所示的单电源辐射性有源配电网中，有源配电网跟上层输电网络之间的公共连接处用 0节点表示，1n 是有源配电网中的节点。在图 2 所示的模型中，每个节点都接入分布式光伏电源和负荷，将某一节点的分布式光伏电源和负荷功率设为0，表示该节点上没有分布式光伏电源和负荷接入。R 是馈线的电阻；X 是馈线的电抗；PDG+jQDG表示分布式光伏电源接入节点上的输出功率；PL+jQL表示负荷的功率；Pj+jQj表示馈线 ij 流过的功率。分布式光伏电源通常与负荷节点相连接，跟负荷潮流是反方向的，因此其能够抵消一定的负荷。可以将负荷看成具有负值，分布式光伏电源在接入负荷后，此时节点 k 处的电压偏差为Uk%=i=0k(Rij=inPDG，j+Xij=inQDG，j)-i=0k(Rij=inPL，j+Xij=inQL，j)/U2N100%（7）2.2对有源配电网网损的影响负荷接入有源配电网后，配电网电流从电源处开始出发，流经输电线路进入负荷。在此电流传递过程中，会产生相应电能损耗，有源配电网上网损幅值跟电网线路上流经的电流以及线路上的阻抗幅值成正相关，流经的电流和线路阻抗越大，低压配电